[發明專利]四面體結構超聲風傳感器及其測量方法

無效

• 申請號: 201010122435.5
• 申請日: 2010-03-09
• 公開（公告）號: CN101813709A
• 公開（公告）日: 2010-08-25
• 發明（設計）人: 劉世萱;齊勇;趙力;付曉;李民;陳世哲;裴亮
• 申請（專利權）人: 山東省科學院海洋儀器儀表研究所
• 主分類號: G01P5/24
• 分類號: G01P5/24
• 代理公司: 青島海昊知識產權事務所有限公司 37201
• 代理人: 張中南

技術領域

本發明涉及自然風場的測量裝置，具體涉及一種四面體結構超聲風傳感器 及其測量方法。

背景技術

利用超聲風傳感器測量風速的優勢在于不含運動部件，環境適應性好，測 量范圍廣，并且沒有最低測量風速的限制。已有的經典結構的三維超聲風傳感 器，都是由三對(六只)超聲波探頭構建三維測量風場。上述超聲波探頭為基 本測量單元，其內部包含有壓電晶片，用于發射和接收固定頻率的超聲波，發 射時壓電晶片將電能轉換為機械振動而產生超聲波，接收時壓電晶片將超聲波 產生的機械振動轉換為電能。其超聲波探頭前端的散射罩為平面圓形，每一對 探頭的散射罩彼此正對，使超聲波探頭可以互相收發超聲波，構成一條測量路 徑，而且三條路徑構成三維正交坐標系(三維笛卡爾坐標系)。通過測量超聲波 在每條路徑上來回傳播的時間差，計算矢量風在三條路徑上的分量，再經過矢 量合成的運算，得到標準坐標系下的三維風速。

基于這種結構的超聲風傳感器存在幾項缺點，首先是它必須使用六只超聲 波探頭，一方面增加了成本和結構的復雜度。另一方面故障率較高。只要任何 一只探頭發生故障，測量結果無效，傳感器損壞無法使用。

另外，由于三條測量路徑都不在水平方向上，也不在豎直方向上，因此要 得到標準坐標系(XY-平面平行于水平面的三維笛卡爾坐標系)下的X，Y，Z 三軸分量，必須經過復雜的空間幾何運算而增加了計算的難度。

發明內容

本發明的目的在于提供一種四面體結構超聲風傳感器及其測量方法，以彌 補現有技術的不足。

本發明的技術方案包括支座與底座上的超聲波探頭，以及支座和底座間的 支架，和位于底座下方的控制艙，其特征在于在支座上垂直設有一只超聲波探 頭，在底座上設有三只超聲波探頭；且上述四只超聲波探頭的頂端面的四個中 心點，是空間四面體的四個頂點。

或者上述四面體結構超聲風傳感器，是在底座上垂直設有一只超聲波探頭， 在支座上設有三只超聲波探頭。

上述安裝在支座或底座上的三只超聲波探頭的頂端面的中心點所確定的平 面平行于水平面。

上述以四只超聲波探頭的頂端面中心點為四個頂點的四面體，可以為正四 面體，直角四面體，或其它的四面體。

為了更好地發散超聲波以及保護超聲波探頭的壓電晶片，在超聲波探頭頂 端設有陶瓷材質的散射罩，其表面形狀為球冠面，并且散射罩的底面與超聲波 探頭的頂端面重合。

利用上述四面體結構超聲風傳感器測量風速的方法是：首先以支座或底座 上的三個中心點所在的水平面為XY-平面，以XY-平面內的一個中心點為坐標 系原點O，以一條XY-平面內過原點O的路徑為X軸，在XY-平面內過原點O 作X軸的垂線為Y軸，過原點O作XY-平面的的垂線為Z軸，X、Y、Z三軸 按照右手定則的指向建立一個標準坐標系；在標準坐標系下測量聲波在風場中 沿每條測量路徑正反兩個方向上傳播的時間差，以聲速和時間表達每條路徑上 的風速分量，然后利用兩條水平面內的路徑上的風速分量合成XY-平面上的二 維風速，再用該二維風速與XY-平面外過原點O的風速分量合成三維風速矢量， 分解該矢量，即得到標準坐標系下的X，Y，Z三軸風速分量。

本發明與現有技術相比的有益效果是：將超聲波探頭的數量由六只減少為 四只。由于探頭數量的減少，既精簡了傳感器結構，又降低了成本和故障率。 本發明設計的一種帶有球冠面散射罩的超聲波探頭，具有良好的曲面發散性， 將測量路徑由三條增加為六條，其中有三條測量路徑位于XY-平面上，大大地 簡化了計算標準X，Y，Z三軸風速分量的復雜度。

附圖說明

圖1本發明的底座上安裝三只超聲波探頭的傳感器示意圖。

圖2本發明的支座上安裝三只超聲波探頭的傳感器示意圖。

圖3本發明的超聲波探頭、及其頂端面上的中心點示意圖。

圖4本發明的測量方法示意圖。

其中，1、超聲波探頭，2、支架，3、支座，4、底座，5、控制艙， 6、散射罩，7、中心點，8四面體。

具體實施方式

如圖1、2和4，本發明包括支座3與底座4上的超聲波探頭1，以及支座 3和底座4間的支架2，和位于底座4下方的控制艙5，其特征在于在支座3上 垂直設有一只超聲波探頭1，且在底座4上設有三只超聲波探頭1，且上述四只 超聲波探頭1的頂端面的中心點7，是空間四面體8的四個頂點。